ENERGY EFFICIENT ORGANIZATION OF ELECTROPLATING PRODUCTION AT A LARGE MACHINE-BUILDING ENTERPRISE

Full Text

Введение Энергопотребление машиностроительного комплекса России отличается высокой удельной энергоемкостью производимой продукции по сравнению с машиностроительным комплексом большинства промышленно развитых стран. Особенно высокая удельная энергоемкость характерна для крупных предприятий мелкосерийного и единичного типа производства, таких как предприятия тяжелого энергомашиностроения, авиастроения и ракетно-космической отрасли [1]. Объясняется это рядом причин, среди которых можно выделить специфические для России. Во-первых, такие предприятия, основанные в СССР, были ориентированы на производство продукции оборонного назначения и при их проектировании вопросы энергоэффективности считались второстепенными. Во-вторых, значительная часть этих предприятий являлись градообразующими и в любом случае несли значительную социальную нагрузку, энергетическая компонента которой увеличивала удельные энергозатраты продукции. В-третьих, особенности организации технологических процессов, ориентированных на единичное мелкосерийное производство на этих предприятиях, создают препятствия для внедрения энергосберегающих мероприятий. Во всяком случае, на этих предприятиях решение проблемы энергосбережения наталкивается на значительно большие трудности по сравнению с предприятиями с крупносерийным и массовым производством. В современных условиях конкурентной рыночной экономики высокая энергоемкость при производстве продукции этих предприятий существенно снижает перспективы успешного ее продвижения на потребительском рынке [2]. Особенности энергопотребления на крупном машиностроительном предприятии Рассмотрим энергобаланс типичного крупного предприятия машиностроительного комплекса, ориентированного на мелкосерийное и единичное производства. На рис. 1 приведен годовой график централизованной закупки ТЭР на коммунальные и технологические нужды, объемы производства и среднемесячная температура наружного воздуха. Рис. 1. Графики закупки ТЭР, график изменения объемов производства, график изменения температуры наружного воздуха: 1 - электроэнергия; 2 - отопление; 3 - объем производства; 4 - пар; 5 - газ; 6 -.температура наружного воздуха В таблице 1 приведены коэффициенты корреляции, вычисленные по формуле (1), между потреблением ТЭР, динамикой изменения объемов производства и среднемесячной температурой наружного воздуха [3] . (1) Здесь и - средние значения параметров и [4]. Таблица 1 Коэффициенты корреляции ТЭР Коэффициент взаимной корреляции ТЭР и объемы производства - количество ТЭР потребленного - объем производства ТЭР и среднемесячная температуры наружного воздуха - количество ТЭР потребленного - температура наружного воздуха Электрическая энергия 0,067 -0,105 Отопление -0,189 -0,91 Пар -0,085 -0,843 Газ -0,288 -0,622 Расхождение на графике пиков потребления электрической энергии и изменения объемов производства примерно на 2 месяца объясняется тем, что обычно производственный цикл начинается с подготовительных работ, не требующих больших затрат электроэнергии. Энергопотребление на отопление производственной площадки зависит в основном от температуры наружного воздуха в соответствии с температурным графиком отопительной системы. Температура используемого на предприятии пара также в большей степени зависит от температуры наружного воздуха, чем от динамики изменения объемов производства. Это объясняется централизованным поступлением пара на промышленную площадку. Наблюдается некоторое искажение зависимости расхода пара (газа) на отопление от температуры наружного воздуха из-за частичного обогрева помещений технологическим оборудованием. Рассмотрим возможность повышения энергоэффективности наиболее энергоемкого гальванического производства. Энергопотребление гальванического производства машиностроительного предприятия Пароснабжение основной площадки предприятия осуществляется централизованно от ТЭЦ. Проходя по внутриплощадочным магистральным сетям от теплопункта до мест потребления, теплоноситель теряет большое количество тепла. Пар поступает на промышленную площадку с температурой 230-240 °С, а на местах потребления его температура составляет не более 110 °С. Большие потери связаны с недостаточной изоляцией и неудовлетворительным состоянием паропровода, поэтому приходится осуществлять электроподогрев гальванических ванн. Потребителями пара на предприятии кроме гальванических ванн являются моечные машины, прокатное оборудование, сушильные шкафы, установки для термообработки, частично приточно-отопительные вентиляционные установки и т. д. Потребители распределены по разным корпусам промышленной площадки. Наиболее крупные потребители пара на технологические нужды сосредоточены в цехе гальваники. Потребление пара здесь составляет около 40 % от общего. Существующая схема энергопотребления в гальваническом цехе не позволяет перекрывать паропровод, снижая или перекрывая потребление пара в перерывах между рабочими циклами гальванических ванн, что приводит к независимости паропотребления от динамики производства товарной продукции (рис. 2). Рис. 2. Графики производства товарной продукции и поступления пара за 2016 г.: 1 - производство товарной продукции в цехе гальваники; 2 - поступление пара Энергобаланс гальванического производства 1. Для упрощения расчетов на этапе выхода на режим пренебрежем теплопотерями в окружающую среду с поверхности электролита и от стенок ванны. Тогда количество теплоты, необходимое для нагрева гальванической ванны при выходе на режим, рассчитывается по формуле . (2) Здесь ) - количество тепла, необходимое для нагрева объема электролита от начальной температуры до технологической ; - удельная теплоемкость электролита; - внутренний объем ванны; - плотность электролита; - количество тепла, затрачиваемого на нагрев емкости ванны от начальной температуры емкости до конечной после нагрева электролита; - масса емкости; - теплоемкость материала ванны; - коэффициент интенсивности поглощения тепла материалом. 2. Количество теплоты, необходимое для поддержания технологической температуры, рассчитывается по формуле (3) и принимается равным сумме количества теплопотерь в окружающую среду с поверхности электролита и от стенок ванны и количества теплоты, затрачиваемого на нагрев погружаемой в ванну детали [5]: . (3) Здесь - количество теплопотерь от стенок емкости ванны; - площадь поверхности ванны; - коэффициент теплоотдачи; - разность температур на поверхности емкости и окружающей среды; - потери тепла с поверхности электролита; - площадь поверхности электролита; - коэффициент теплоотдачи на поверхности электролита; - разность температур на поверхности электролита и окружающей среды; - количество тепла на нагрев погружаемой детали, рассчитывается по формуле [6]; - масса деталей; - теплоемкость детали; - коэффициент интенсивности поглощения тепла материалом; - конечная температура детали после погружения; - начальная температура детали. Энергоэффективное энергообеспечение гальванического производства Территория гальванического цеха представляет собой 30 рядов ванн. По каждому ряду осуществляются определенные гальванические операции, такие как лужение, меднение, никелирование, хромирование и т. п. В каждом из рядов находятся от одной до шести горячих ванн. Среди этих ванн выделим группы, требующие круглосуточной, посменной и периодической работы. При этом учтем, что при круглосуточном режиме работы подогрев ванн необходим постоянно. При выборе рационального метода теплоснабжения гальванического производства на технологические нужды учитывается количество тепла, требуемого для вывода на режим, поддержание режима и сменности работы ванн. При круглосуточном режиме работы необходим постоянный подогрев ванны. Возможны несколько вариантов вывода на режим и длительного поддержания ванн в рабочем режиме или в режиме горячей консервации. Сравним возможные варианты энергообеспечения технологических процессов гальванического цеха (табл. 2): 1. Установка двух парогенераторов «Уран 4000», работающих на газообразном топливе, подключенных к нескольким параллельным рядам. 2. Локальный подогрев при помощи тепловых электронагревателей (ТЭН). Таблица 2 Варианты энергообеспечения при круглосуточном режиме работы Способ Максимальная требуемая расчетная нагрузка, Гкал/час Закупаемый ресурс на обеспечение процесса Единицы измерения Количество ТЭР в год в натуральном выражении Количество ТЭР в год в денежном выражении, тыс. руб. Система централизованного пароснабжения 4,81 Пар Гкал 15629,01 22275,908 Установка двух парогенераторов «Уран 4000» 4,81 Газ Тыс.м³ 1925 11981,778 ТЭН 4,81 Э/Э МВт·ч 25481,28 92 751,9 При сравнении трех возможных вариантов отметим, что наименьшие затраты на ТЭР достигаются при установке парогенераторов. Для постоянной двенадцатичасовой работы характерно ежедневное потребление максимальной нагрузки для вывода на режим и последующее поддержание в состоянии рабочей готовности в течение 12 часов. Таблица 3 Варианты энергообеспечения при 12-часовом режиме работы Способ Максимальная требуемая расчетная нагрузка, Гкал/час Закупаемый ресурс на обеспечение процесса Единицы измерения Количество ТЭР в год в натуральном выражении Количество ТЭР в год в денежном выражении, тыс. руб. Система централизованного пароснабжения 5,04 Пар Гкал 16266,93 23185,129 Установка двух парогенераторов «Уран 4500» 5,04 Газ Тыс.м³ 1379,992 8589,484 ТЭН 5,04 Э/Э МВт·ч 14014,946 51014,403 Таблица 4 Варианты энергообеспечения объединенной системы Способ Максимальная требуемая расчетная нагрузка, Гкал/час Закупаемый ресурс на обеспечение процесса Единицы измерения Кол-во ТЭР в год в натуральном выражении Количество ТЭР в год в денежном выражении, тыс. руб. Система централизованного пароснабжения 9,85 Пар Гкал 31895,94 45461,037 Установка парового котла ICI серии GX 10000 9,85 Газ Тыс. м³ 4477,674 27869,043 Установка двух парогенераторов «Уран 4000» и двух парогенераторов «Уран 4500» 9,85 Газ Тыс. м³ 3304,992 20571,262 Рассмотрим варианты энергопотребления в случае 12-часовой работы (табл. 3): 1. Установка двух парогенераторов «Уран 4500», работающих на газообразном топливе, подключенных к нескольким параллельным рядам. 2. Локальный подогрев ванн при помощи ТЭН. В рассмотренных вариантах наименьшие затраты на закупку ТЭР требуются также при установке парогенераторов. Рассмотрим возможные варианты организации объединенной системы теплоснабжения на технологические нужды гальванического цеха (табл. 4): 1. Установка парового котла ICI серии GX 10000. 2. Суммарно по двум группам при установке двух парогенераторов «Уран 4000» и двух парогенераторов «Уран 4500». Заключение При обеспечении локального подогрева при помощи ТЭН наблюдаются наиболее высокие затраты на ТЭР. Это объясняется тем, что при круглосуточном или посменном режиме работы необходимо длительное время поддерживать ванны в режиме горячей консервации. При этом на электрический нагрев затрачивается большое количество ТЭР, а стоимость электрической энергии относительно выше стоимости газа, используемого в качестве топлива в парогенераторах или котлах. Наименьшие затраты на закупку ТЭР на нужды теплоснабжения гальванического цеха достигаются при установке парогенераторов, т. к. происходит практически пропорциональное уменьшение расхода топлива при снижении нагрузки на технологический нагрев.

About the authors

Alena S Romanova

Samara State Technical University

Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files